孟 虎龍永福

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非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)應(yīng)用及市場(chǎng)分析

孟 虎1,龍永福*2

(1. 湖南華南光電(集團(tuán))有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)部, 湖南 常德, 415007; 2. 湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

主要介紹了非制冷紅外焦平面探測(cè)器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及主要應(yīng)用領(lǐng)域, 分析了非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)應(yīng)用前景, 對(duì)紅外產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的未來(lái)發(fā)展方向提供了參考建議.

非制冷紅外探測(cè)器; 紅外焦平面探測(cè)器; 微測(cè)輻射熱計(jì)

湖南華南光電(集團(tuán))有限責(zé)任公司從事紅外熱成像產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)已經(jīng)超過(guò)十個(gè)年頭, 主要涉及軍品行業(yè)和反恐防暴器材等領(lǐng)域, 已擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一批定型產(chǎn)品及核心技術(shù). 隨著紅外技術(shù)的飛速發(fā)展, 紅外產(chǎn)品得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用, 潛在的市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大. 如何把握這個(gè)發(fā)展良機(jī), 真正實(shí)現(xiàn)公司的騰飛, 是擺在華南人面前最大的問(wèn)題. 千里之行, 始于足下, 只有認(rèn)清形勢(shì), 一步一個(gè)腳印踏實(shí)地向前邁進(jìn), 才可能實(shí)現(xiàn)我們的夢(mèng)想.

1 非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器技術(shù)及應(yīng)用

1.1 發(fā)展歷史

非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器[1]是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始, 在美國(guó)軍方支持下發(fā)展起來(lái)的, 于1992年全部研發(fā)完成后對(duì)外公布. 初期技術(shù)路線包括德州儀器研制的BST熱釋電探測(cè)器和霍尼韋爾研制的氧化釩(VOx)微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器[2-4]. 由于熱釋電技術(shù)本身的一些局限性, 微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器[5—7]逐漸勝出. 2009年, L-3公司最終宣布停止繼續(xù)生產(chǎn)熱釋電探測(cè)器. 之后, 法國(guó)的CEA/LETI公司以及德州儀器公司又分別研制了非晶硅(a-Si)微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器[8-10]. 霍尼韋爾后來(lái)把技術(shù)授權(quán)給數(shù)家公司生產(chǎn)制造, CEA/LETI的技術(shù)在新成立的ULIS公司生產(chǎn). 爾后的近20年, 美國(guó)的非制冷探測(cè)器生產(chǎn)發(fā)生過(guò)多次的公司并購(gòu)重組. 在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi), 非制冷市場(chǎng)將是氧化釩技術(shù)與非晶硅技術(shù)[11-16]兩者競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái). 由于氧化釩發(fā)展時(shí)間長(zhǎng), 并且美國(guó)是全球最大的紅外市場(chǎng), 所以氧化釩探測(cè)器目前占據(jù)的市場(chǎng)份額處于領(lǐng)先地位. 但是非晶硅探測(cè)器在短短的10多年時(shí)間內(nèi), 已占領(lǐng)了近20%的全球市場(chǎng), 在美國(guó)以外特別是中國(guó)市場(chǎng)取得絕對(duì)優(yōu)勢(shì).

1.2 工作原理

非制冷紅外焦平面探測(cè)器[17]由許多MEMS微橋結(jié)構(gòu)的像元在焦平面上二維重復(fù)排列構(gòu)成, 每個(gè)像元對(duì)特定入射角的熱輻射進(jìn)行測(cè)量, 其基本原理如圖1所示: 紅外輻射被像元中的紅外吸收層吸收后引起溫度變化, 進(jìn)而使非晶硅熱敏電阻的阻值變化; 非晶硅熱敏電阻通過(guò)MEMS絕熱微橋支撐在硅襯底上方, 并通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)與制作在硅襯底上的CMOS讀出電路相連; CMOS電路將熱敏電阻阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娏鞑⑦M(jìn)行積分放大, 經(jīng)采樣后得到紅外熱圖像中單個(gè)像元的灰度值.

圖1 非晶硅紅外探測(cè)器工作原理

為了提高探測(cè)器的響應(yīng)率和靈敏度, 要求探測(cè)器像元微橋具有良好的熱絕緣性, 同時(shí)為保證紅外成像的幀頻, 需使像元的熱容盡量小以保證足夠小的熱時(shí)間常數(shù), 因此, MEMS像元一般設(shè)計(jì)成如圖2所示的結(jié)構(gòu). 利用細(xì)長(zhǎng)的微懸臂梁支撐以提高絕熱性能, 熱敏材料制作在橋面上, 橋面盡量輕、薄以減小熱質(zhì)量. 在襯底制作反射層, 與橋面之間形成諧振腔, 提高紅外吸收效率. 像元微橋通過(guò)懸臂梁的兩端與襯底內(nèi)的CMOS讀出電路連接. 所以, 非制冷紅外焦平面探測(cè)器是CMOS-MEMS單體集成的大陣列器件.

圖2 非晶硅紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域

1.3.1 軍事領(lǐng)域

軍事領(lǐng)域應(yīng)用包括武器熱觀瞄(TWS)、便攜式視覺(jué)增強(qiáng)、車(chē)載視覺(jué)增強(qiáng)(DVE)、遠(yuǎn)程武器站(RWS)、無(wú)人機(jī)(UAV)、無(wú)人駕駛地面車(chē)輛、觀察指揮車(chē)、火控和制導(dǎo)等.

1.3.2 熱像測(cè)溫領(lǐng)域

熱像測(cè)溫用于預(yù)防性檢測(cè), 例如對(duì)電力輸電線路、發(fā)電設(shè)備和機(jī)械設(shè)備等通過(guò)紅外熱像儀檢測(cè)異常發(fā)熱區(qū)域, 可以預(yù)防重大停機(jī)以及事故的發(fā)生. 在建筑方面, 用于檢測(cè)房屋的隔熱效果、墻壁外立面、空鼓、滲水和霉變等. 其它的領(lǐng)域還包括產(chǎn)品研發(fā)、電子制造、醫(yī)學(xué)測(cè)溫和制程控制等.

1.3.3 商用視覺(jué)增強(qiáng)領(lǐng)域

商用視覺(jué)增強(qiáng)的主要應(yīng)用包括消防營(yíng)救、安防監(jiān)控、車(chē)載、船載的紅外視覺(jué)增強(qiáng)等. 主要是利用紅外成像無(wú)需外界光源、較強(qiáng)的穿透煙霧的能力、作用距離遠(yuǎn)和成像對(duì)比度強(qiáng)等優(yōu)勢(shì), 對(duì)人眼視覺(jué)進(jìn)行有效的補(bǔ)充.

2 非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器的市場(chǎng)情況

據(jù)YoleDevelopment公司2011年發(fā)布的市場(chǎng)報(bào)告, 至2016年全球非制冷紅外熱像儀市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到34億美金, 2011—2016年的年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)8.5%.

2016年非制冷焦平面探測(cè)器市場(chǎng)將超過(guò)5.7億美金, 2011—2016年的年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)14%. 其中高分辨率的大面陣探測(cè)器因?yàn)樵谲娛律系膽?yīng)用而占據(jù)較大的市場(chǎng)銷(xiāo)售份額(圖3).

圖3 非制冷焦平面探測(cè)器市場(chǎng)銷(xiāo)售份額

3 國(guó)內(nèi)非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器的發(fā)展情況

由于非制冷焦平面探測(cè)器在軍事方面的諸多應(yīng)用, 美國(guó)對(duì)中國(guó)一直實(shí)行嚴(yán)格的禁運(yùn)措施. 美國(guó)廠商在國(guó)內(nèi)僅出售熱像儀整機(jī), 或者在分辨率和幀頻等方面有限制條件的機(jī)芯組件. 法國(guó)的探測(cè)器可以對(duì)中國(guó)出口, 但實(shí)施最終用戶許可制度, 并且在最先進(jìn)的技術(shù)方面加以限制.

國(guó)內(nèi)過(guò)去主要在高校等研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行一些相關(guān)研究, 一直未能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化. 2006年前后, 國(guó)內(nèi)開(kāi)始有商業(yè)公司進(jìn)行非制冷探測(cè)器的研制工作. 浙江大立科技、武漢高德紅外等較大規(guī)模的熱像儀廠家, 沿襲其熱像系統(tǒng)中使用的探測(cè)器體制, 采取了非晶硅探測(cè)器路線. 另外一些初創(chuàng)型公司如北京廣微積電、煙臺(tái)睿創(chuàng)等, 采取了氧化釩探測(cè)器路線.

在2012年9月的深圳光博會(huì)上, 浙江大立科技首次公開(kāi)展示了國(guó)產(chǎn)非制冷焦平面探測(cè)器, 包括45 μm像元間距、320 × 240分辨率; 35 μm像元間距、384 × 288分辨率; 25 μm像元間距、384 × 288和640 × 480分辨率的多款型號(hào)非晶硅探測(cè)器, 性能與法國(guó)進(jìn)口器件水平相當(dāng). 另外, 國(guó)內(nèi)還有上海巨哥電子、昆山光微等公司從事光讀出非制冷焦平面探測(cè)器的研制和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn).

4 紅外成像在消費(fèi)電子中的應(yīng)用前景

目前, 紅外熱像技術(shù)的應(yīng)用還主要局限于軍事和工業(yè)等領(lǐng)域, 日常的商用應(yīng)用主要限于高檔汽車(chē)、游艇和狩獵等. 但是, 由于可見(jiàn)光圖像傳感器在手機(jī)等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用和極高的滲透率, 讓人們對(duì)于紅外成像在消費(fèi)電子中的應(yīng)用抱有很高的期待. 紅外熱像技術(shù)在消費(fèi)電子中的大范圍應(yīng)用目前主要受到以下幾個(gè)因素限制:

(1) 成本高. 目前市場(chǎng)上售價(jià)最低的紅外熱像儀在2 000美金左右, 少數(shù)售價(jià)1 000美金以下的熱像儀分辨率很低. 進(jìn)口最低分辨率的160×120探測(cè)器也在幾百美金范圍, 顯然無(wú)法被電子產(chǎn)品用戶接受.

(2) 體積大. 相比于目前CIS模組的外形尺寸, 紅外熱像儀的探測(cè)器和組件可以算得上龐然大物. 而且由于紅外成像的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光波長(zhǎng), 衍射極限限定了紅外探測(cè)器的像元間距無(wú)法縮小到CIS傳感器像元的尺寸, 特別是考慮到光學(xué)鏡頭等的體積和成本, 紅外組件達(dá)到目前可見(jiàn)光模組的水平還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走.

(3) 需求限制. 可見(jiàn)光圖像與人員視覺(jué)的天然吻合性, 而紅外成像的效果和用途與可見(jiàn)光照相存在顯著差異, 也導(dǎo)致普通消費(fèi)者對(duì)紅外成像的認(rèn)識(shí)和需求無(wú)法與可見(jiàn)光成像相比擬.

2012年國(guó)外已經(jīng)嘗試了把紅外測(cè)溫與手機(jī)結(jié)合. 日本Omron利用4 × 4的熱堆探測(cè)器制作的測(cè)溫組件D6T, 與手機(jī)結(jié)合后可以測(cè)量食物或飲料的溫度, 并在手機(jī)屏幕上以偽彩色圖像的形式顯示溫度高低分布. 此外還可以用于監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度, 以便打造更舒適的生活環(huán)境. 美國(guó)伊利諾斯州硬件開(kāi)發(fā)人員安迪?羅森(AndyRawson)自己制作的IR-Blue, 采用了64(16 × 4)陣列的熱堆紅外溫度傳感器, 校準(zhǔn)范圍從-20～300 ℃, 通過(guò)藍(lán)牙與iOS或Android設(shè)備連接, 用戶只需激活應(yīng)用程序, 然后指向要檢測(cè)的區(qū)域, 手機(jī)上就會(huì)顯示出哪一片區(qū)域是最冷或是最熱.

但是, 上述2例中的探測(cè)器分辨率過(guò)低, 導(dǎo)致成像效果基本類(lèi)似馬賽克, 只能作為紅外測(cè)溫使用. 非制冷紅外成像真正應(yīng)用到消費(fèi)電子, 必須在體積、重量和成本等方面進(jìn)行革命性的改進(jìn).

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了非制冷紅外探測(cè)器的市場(chǎng)前景以及應(yīng)用領(lǐng)域, 目的是為我們未來(lái)的發(fā)展方向提供有價(jià)值的信息和參考意見(jiàn), 希望本行業(yè)的決策層、管理者以及科研人員進(jìn)一步放寬眼界, 開(kāi)拓思路, 找準(zhǔn)公司未來(lái)在紅外領(lǐng)域的突破口, 進(jìn)一步鞏固和提升公司在紅外領(lǐng)域的戰(zhàn)略地位.

致謝: 衷心感謝合作伙伴浙江大立科技股份有限公司提供的參考資料和數(shù)據(jù)信息.

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Application and market analysis of technology on the uncooled infrared focal plane detector

MENG Hu1, LONG YongFu2

(1. Department of Product Research and Development, Hunan Southern China Photoelectric (Group) Co., Ltd. Changde 415007, China; 2. College of Physics and Electronics, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

This paper mainly introduces the development history, the present situation and the main application field of technology on the uncooled infrared focal plane detector, analyzes its development trend and the market prospect in the future, provides the certain reference proposal for the infrared products manufacturers in the future development direction.

uncooled infrared detector; infrared focal plane detector; microbolometer

TH 745

1672-6146(2014)02-0074-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.02.016

通訊作者email: yongfulong@163.com.

2014-05-04

湖南文理學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目-無(wú)線電物理; 湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“光電信息集成與光學(xué)制造技術(shù)”; “湖南省光電信息技術(shù)校企聯(lián)合人才培養(yǎng)基地”資助.

(責(zé)任校對(duì): 譚長(zhǎng)貴)